化工原理吸收(PPT43页)

1、 第 2 章 吸 收一、吸收及其依据1、吸收：2、吸收依据：分离气体混合物的传质单元操作。各组份在液相中的溶解度不同。二、吸收过程吸收质（溶质）A；惰性组分（载体）B；吸收剂（溶剂）S；吸收液（AS）； 尾气BA。三、应用1、分离气体混合物，获得某一组分；2、净化气体；3、制备溶液。四、吸收分类1、物理吸收；2、化学吸收；3、单组分吸收；4、多组分吸收；5、等温吸收；6、非等温吸收。五、吸收机理1、方向与限度取决于平衡关系气pAAB液xASApApA*时pA*与xA呈平衡2、与蒸馏比较1）同为分离均相物系的气液传质操作；2）第二个物系蒸馏：产生气相直接得A、B。吸收：外界引入气相不能直接得A、

2、B，需二次分离。3）蒸馏：双向传质吸收：单相传质B、S停滞组份。六、脱吸：当pApA*时，进行着吸收逆过程脱吸。2.1 气体吸收的相平衡关系2.1.1 气体的溶解度一、溶解度：A、BSACA*T、P一定，气体在液体中的饱和浓度。表明吸收过程可能达到的极限程度。二、温度对溶解度的影响单组份、 组分数C3、（A、B、S）、 相数2。相律：FC23223 CA*f ( t、P总、PA）低压下,t一定 CA*f ( PA）三、不同气体溶解度差异（同一溶剂）举例： NH3、SO2、O2在水中的溶解度与pA*之间关系。溶液浓度一定，易溶气体pA*难溶气体pA*同种溶质，T而溶解度结论：加压、降温对吸收有利

3、。2.1.2 亨利定律一、亨利(Henry)定律P总不高，T一定，p*=E x (2-1)说明：1、 p*、x 、E（亨利系数，压强单位 ）xp*实际浓度平衡分压2、适用于 t 一定，理想溶液。E为该 t 下纯溶质p;3、用于难溶、较难溶气体（或易溶稀溶液）；4、难溶气体，E为常数；5、E由实验测定，查手册（P78）；6、Ef （T），TE（即TCA*),因此,难溶E,而易溶E二、Henry定律的其它形式1、2)-(2 Hcp*说明：C为体积摩尔浓度kmol/m3；H为溶解度系数kmol/kN.m；HE关系：推导：1m3：溶质kmol/m3溶剂kmol MMc-ssA则 x溶质溶剂溶质 MMc

4、-ccSA )M-c(MMcASS )M-c(McMEp*ASS )M-c(MMEH1ASS4)-(2 EMHSH=f（T） TH易溶H难溶H2、y*=m x (2-5)说明：m 相平衡常数，无因次； mE：yPp*yPp*:xEp*代入xEy*PxPEy*总与 y*=m x 比较：6)-(2 PEm总m 实验值m= f (T)TP总m(x)不利。3、B、S摩尔量不变（基准）kmolSkmolA x-1xX X1XxkmolBkmolA y-1yY Y1Yy代入 y*=m x ： X1Xm*Y1*Y m)X-(11XmY*10)-(2x mY* 低浓度：XYp*=E x (2-1)2)-(2

5、Hcp*y*=m x (2-5)10)-(2x mY* 2.1.3 吸收剂的选择1、溶解度；2、选择性； 3、挥发度； 4、粘性；5、其它。2.1.4 相平衡关系在吸收过程中的应用1、判断传质进行的方向*iiy y iixx 或若传质方向为：气相液相吸收反之，传质方向为：液相气相脱收总之，溶质传递的方向是趋于平衡的方向。2、确定传质的推动力iixx *iiy y 或推动力为3、指明传质过程进行的极限2.2 吸收机理与吸收速率吸收glA扩散分子扩散涡流扩散: 流体分子无规则的热运动而传递物质。（静止或滞流）：靠流体质点的湍动和旋涡而传递物质的。（湍流）2.2.1 分子扩散与菲克（Fick）定律一

6、、分子扩散1、概念在单相内部有浓度差的条件下，分子的无规则热运动而造成的物质传递现象。简称扩散。2、举例AB传递方向：A、B各自沿着浓度降低的方向传递。推动力：浓度差。二、菲克（Fick ）定律11)-(2 dZdC-DJAABAJA物质A在Z方向上的扩散通量，kmol/(m2.s);dZdCAA的浓度梯度，kmol/m4;DAB物质A在介质B中的分子扩散系数。负号表明扩散是沿着物质A浓度降低的方向进行的。A、B在Z方向互为相反值：12)-(2 dZdC-dZdCBA而且，BA-JJ根据 Fick 定律：dZdC-DJAABAdZdC-DJBBAB13a)-(2 -DD BAAB作业：P150

7、1、22.2.2 气相中的稳定分子扩散一、等分子反向扩散pA1 pA2,pB2 pB1两容器T、P相同。精馏传递速率NA：在任意固定的空间位置上，单位时间通过单位面积的物质量Akmol/m2.s。NA不涉及传递形式。推导NA计算式：1、现象2、传递速率NA (传质速率）NAJAdZdC-DAdZdpRTD-A稳定过程，NA为常数。因而dZdpA也是常数， 故pAZ为直线关系。（215）dZdp RTD-dZNAA0pA1ZpA216)-(2 )P-(P RTZDN A2A1A二、一组分通过另一停滞组分的扩散1、过程分析JAJB （分子扩散）总体流动：A、B两种物质并行的递补运动。单向扩散与等分

8、子反向扩散的区别等分子反向扩散：NAJA单向扩散： NAJA总体流动2、NA计算式N总体流动的通量，A、B总物质量m2.s；其中，A、B的通量各为：；CcNyNAACcNyNBB17)-(2 CcNJNAAA18)-(2 CcNJN :BBB同理0NBCcNJ-BBCcNJ BA即CcNCcNNABAANN 11)-(2 dZdC-DJAABA17)-(2 CcNJNAAA CcNdzdcDNAAAdzdcDCcNNAAAAdzdcDCc(1NAAA）dzdcCcCDNAAAdzdcc-CDCAA若扩散在气相：RTpcAARTPC 19)-(2 dzdppPPRTDNAAA19a)2 dzPd

9、pRTDPN BBA（或积分:BBAPdp RTDPdz N0zpB1pB2解得：B1B2APpln RTzDPN B2A2B1A1pppp故B1B2A1A1pppp则：)-ppp-p( Ppln RTzDPNB1B2A2A1B1B2A)-ppp-p( Ppln RTzDPNB1B2A2A1B1B2AB1B2B1B2A2A1Ppln)p-(p RTz)p-(p DP 20)-(2 )-p(p pPRTzD A2A1BmB1B2B1B2BmPplnp-p p式中：1、2两截面上物质B分压的对数平均值，kpa。BmpP漂流因数，无因次。说明：与(2-16)比较,多P/PBm , , 1 pPBm使

10、NA16)-(2 )P-(P RTZDN A2A1A(pB )BmpP (2-16)式适于精馏； （220）式适于吸收。pAPpBm1pPBm总体流动0pA2.2.3 液相中的稳定分子扩散90A2A1SmAp 22)-(2 )c-(c zcCDN 2.2.4 扩散系数一、D 物理意义 dzdcJDAA单位浓度梯度下的扩散通量。反映某组分在介质中扩散的快慢。二、复杂之处 至少有两种物质,有多种配合方式； 随温度变化较大； 与总压（气体）或浓度（液体）有关； 文献中数据不全，应用时常估算。三、扩散系数D （P90 ）2.2.5 对流传质1、涡流扩散凭籍流体质点的湍动和旋涡来传递物质的现象。26)-

11、(2 dzdc )DD ( -JAE 式中： D 分子扩散系数，m2s；DE一 涡流扩散系数，m2s；dcA/dz 一 沿z方向的浓度梯度，kmolm4；J 扩散通量，kmol(m2s)。DE不是物性，与湍动程度有关。2、对流传质27)-(2 )p-(pk )p-(p pPRTzD NiGiBmGA气相：液相：28)-(2 c)-(ck c)-(c cCzD NiLismLA作业：复习所讲。2.2.6 吸收过程的机理1、双膜理论(1)目的：建立传质速率方程。(2)双膜理论传质过程双膜理论基本论点：1）相界面，滞流膜层，分子扩散；2）相界面处达于平衡；3）流体主体为湍流，0dzdc A膜层内存在

12、。dzdc A也称双阻力理论。吸收为通过两膜层的传质。2.2.7 吸收速率方程式1) 吸收速率NA：单位相际传质面积上，单位时间内吸收的溶质量。2) NA所能解决的问题：1）一定吸收任务，所需设备尺寸；2）核算混合气体通过指定设备所能达到的吸收程度。3) 吸收速率方程式：阻力推动力速率 浓度差1吸收系数吸收速率 吸收系数推动力4) 膜吸收速率（指单一相）N气膜N液膜稳定操作：N气膜N液膜气膜吸收速率N气膜气膜吸收系数（）推动力液膜吸收速率N液膜液膜吸收系数（）推动力1、气膜吸收速率方程式气相主体相界面 )p-(p pPRTzD NiBmGA一定条件下：可视为常数， pPRTzDBmG故令：GB

13、mGk pPRTzD33)-(2 )p-(p k NiGA(1)33a)-(2 k1p-p GikG气膜吸收系数，kmol/(m2.s.kpa)1kG为气膜阻力， 1kG与（p-pi)相对应。(2)气相组成以摩尔分率表示时：34)-(2 )y-(y k NiyAy-溶质A在气相主体中的摩尔分率；yi-溶质A在相界面处的摩尔分率。(3)kGky关系P总压不高时，p=Py 及pi=Pyi33)-(2 )p-(p k NiGAky= PkG (2-35)ky-气膜吸收系数 kmol/(m2.s)1ky为气膜阻力， 1ky与（y-yi)相对应。2、液膜吸收速率方程式 c)-(c cCzD NismLA

14、令LsmLk cCzD ）（372 c)-(ck NiLA37a)-(2 k1c-c LikL液膜吸收系数，kmol/(m2.s.kmol/m3)或m/s。1kL为液膜阻力， 1kL与（ci-c)相对应。(1)(2)液相组成以摩尔分率表示时：38)-(2 x)-(x k NixA(3)kLkx关系因为x)C(c x C ciiLxkC k kx液膜吸收系数，kmol/(m2.s)1kx为液膜阻力， 1kx与（xi-x)相对应。3、界面浓度(1)界面处气液浓度符合平衡关系；(2)稳定情况下：)p-(p k NiGA c)-(ckiL40)-(2 kk-c-cp-pxLii液相浓度气相分压oEpc

15、A斜率 kk-xLIcipi4、总吸收系数及其相应的吸收速率方程式(3)求出界面浓度(1）为避开界面浓度，仿效间壁传热的处理方法。 用主体浓度差表示推动力。(2）与传热不同点：p与x不能相减，即使y与x也不能相减。(3）吸收过程的总推动力任一相主体浓度与平衡浓度差。1)以 (p-p*) 表示总推动力的吸收速率方程式p*与c 成平衡，p为气相主体分压。若系统服从亨利定律： Hcp*根据双膜理论： Hcpii: c)-(ck N iLA得代入p*)-H(pk NiLA*p-p kHN iLA或气相速率方程式)p-(p k NiGA改写成iGAp-p kN 两式相加，得：41)-(2 *p-p )k

16、1kH1 ( N GLA令41a)-(2 k1kH1 K1 GLG则42)-(2 p*)-(pK NGA说明：KG气相总吸收系数kmol/m2.s.kpa;(p-p*)为总推动力；1/KG为总阻力,由1/kL、1kG两部分；易溶气体H当kLkG时GLk1 kH1 则KGkG气膜控制气膜控制(看图)：ip-pp*-p气膜控制液膜控制2) 以（c*-c）表示总推动力的吸收速率方程式c*与p成平衡，若系统服从亨利定律： Hcp* H*cp *p-p)k1Hk1(NGLA将上两式代入43)-(2 -c*c)kHk1(NGLA43a)-(2 K1kHk1 LGL令则44)-(2 -c)*(cKNLA说明

17、：KL液相总吸收系数kmol/m2.s.kmol/m3;(p-p*)为总推动力；也称液相总吸收速率方程式；1/KL为总阻力,由1/kL、HkG两部分；难溶气体H当kLkG时GLkH k1 则 KLkL液膜控制，（看图）c-c-c*ci中等溶解度的气体吸收过程，气膜阻力与液膜阻力均不可忽略。3) 以（Y-Y）表示总推动力的吸收速率方程式若操作总压 P，则p=P y又知 Y1Yy故 Y1YPp同理 Y1YPp*（Y与X成平衡） p*)-(pK N GA ) Y1YP-Y1YP ( K N *GA简化：45)-(2 )-Y(Y )YY)(1(1PK N *GA令46)-(2 K )YY)(1(1PK

18、 Y*G则 47)-(2 )Y-(YK N *YA说明：KY气相总吸收系数 kmol/m2.s；(Y-Y*)为总推动力；也称气相总吸收速率方程式；1/KY为总阻力,为两膜总阻力；当溶质在气相中浓度很小时，Y和Y都很小， 于是 KY KG P4) 以（X-X）表示总推动力的吸收速率方程式（X与Y成平衡）xCc x C c ii因又知 X1Xx故 X1X C c同理 X1X C c* -c)*(cKNLA代入 ) X-1XC X1XC ( K N *LA简化：48)-(2 ) -X(X X)(1X(1CK N *LA令49)-(2 K X)(1X(1CK X*L则 50)-(2 X)-(XK N

19、*XA说明：KX 液相总吸收系数 kmol/m2.s；(X*X）为总推动力；也称液相总吸收速率方程式；1/KX为总阻力,为两膜总阻力；当溶质在液相中浓度很小时，X和 X 都很小，于是 KX KL C5、 小结1、两类吸收速率方程式膜系数相对应的速率式总系数相对应的速率式膜吸收速率方程式方程式)p-(p k NiGA吸收系数膜系数：膜系数：kGkmol/(m2.s.kpa)推动力ip-pc)-(ck NiLAc-cikLkmol/(m2.s.kmol/m3)或m/s。)y-(y k NiyAky kmol/(m2.s)iy-yx)-(x k NixAKxkmol/(m2.s)x-xi总吸收速率方

20、程式p*)-(pK NGAp-p总系数：总系数：K KG Gkmol/mkmol/m2 2.s.kpa.s.kpa-c)*(cKNLA-c*cK KL Lkmol/mkmol/m2 2.s.kmol/m.s.kmol/m3 3;)Y-(YK N *YA*Y-Y K KY Y kmol/m kmol/m2 2.s.sX)-(XK N *XAX-X *K KX X kmol/mkmol/m2 2.s.s2、任何系数的单位都是kmol/(m2.s.单位推动力单位推动力；3、推动力与阻力对应关系：例：p-p表示总推动力时， 1kG为气膜阻力， 1/HkL为液膜阻力。-c*c表示总推动力时，1/kL为液

21、膜阻力。 HkG为气膜阻力，4、膜系数与总系数之间关系 k1kH1 K1 GLG kHk1 K1 GLL5、吸收速率方程式适用于，稳定吸收的吸收塔内任意截面上（不是全塔）。在整个吸收过程所涉及的浓度范围内，平衡关系为直线。作业：P1517、82.3 吸收塔的计算实现传质过程板式塔填料塔：气液逐级接触；：气液连续接触。一、填料塔二、填料1、拉西环2、槽鞍填料3、金属鲍耳环4、塑料鲍耳环5、金属环聚鞍 6、规整填料三、塔内流体流动方式：1、逆流2、并流四、吸收塔工艺计算内容吸收剂用量；塔径；塔有效段高度（填料层高度）。2.3.1 吸收塔的物料衡算和操作线方程1、物料衡算V惰性气体量，kmol(B)

22、s；L溶剂量，kmol(S)s；Y1、Y2溶质组分的摩尔比，kmol(A)kmol(B)；X1、X2液相溶质组分的摩尔比，kmol(A)/kmol(S)；注意：下标“1”为塔底，下标“2”为塔顶。1221LXVY LXVY ）（）（）（或512 XXL YYV 2121一般情况下，吸收任务规定：V、Y1；如果已知 L、X2、溶质回收率（吸收率）121AYYY 则：）（）（522 1 Y Y12因此，可求得吸收液浓度X1。2、吸收塔的操作线方程与操作线LXVY LXVY 11）（）（或532 XVLY XVL Y 11m-n截面与塔底端作A物料衡算：m-n截面与塔顶端作A物料衡算：）（）（53a

23、2 XVLY XVL Y 22以上两式称为逆流吸收塔的操作线方程式。O Xf Y *）（Y2YY1TBAYXXX2X1 2、并流也用同样方法推导；3、因 p p* ,所以 BT线在OE线上方。脱吸在下方。说明：1、B称之为 “浓端” ，T称之为 “稀端” ；4、操作线方程是由物料衡算而来，与平衡关系无关，与操作条件以及设备结构无关。E2.3.2 吸收剂用量的决定工艺给定：V、Y1、Y2。 X2由工艺条件决定（或设计者选定）。L由设计者决定。一、液气比操作线斜率VL称为 “液气比”。LV反映单位气体处理量的溶剂消耗量的大小。LVLB点右移， X1推动力LVLB点左移， X1推动力B1二、最小液气

24、比minVL）（但操作费用增大。TB*线斜率为minVL）（因V一定，Lmin2*121XXYY 1、2、非正常曲线minVL）（2121XXYY 3、符合亨利定律Y*mXminVL）（2121XmYYY 三、实际液气比VL）（）（542 VL2.0)1.1min指出：须保证填料表面充分润湿，有时可加大倍数。2.3.3 塔 径 的 计 算u D 4V2S u 4VD s或u空塔气速 m/s；Vs操作条件下，混合气体的体积流量，m3/s。（以塔底为准）。2.3.4 填 料 层 高 度 的 计 算1、填料层高度的基本计算式(1)分析 VZ D 42 mAAV3填料传质所需 skmolA/mNkmo

25、lA/sGA2A）（）（2121XXL YYVG吸收负荷)Y-(YK N *YAx m*Y 平衡关系物料衡算传质速率三式的应用。(2) 推导 Z取微元高度 dZ：）（592 LdX VdYdGA微元体 dY(dX)很小，可认为NA为定值。60)-(2 dZ)aN dANdGAAA（式中：dA微元填料层的传质面积，m2； a单位体积填料层所提供的有效传质面积，m2m3； 塔截面积，m2。微元填料层的吸收速率方程式可写为：)Y-(YK N *YA及X)-(XK N *XAdZa X)-(XK dG *XAdZa )Y-(YK dG *YAdZa )Y-(YK VdY *YdZa X)-(XK Ld

26、X *X 对于稳定操作的吸收塔，当Y、X很小时，L、V、a皆不随时间及位置而改变。KY、KX为常数。dZ VaK Y-YdY Y*0Y2ZY1dZ LaK XXdX X*0ZX2X1由此得到低浓度气体吸收计算填料层高度的基本关系式，即：63)-(2 Y-YdYaKV Z12YY*Y64)-(2 XXdXaKL Z12XX*X说明：a 称有效比表面积。af (填料形状、尺寸、充填状况、流体物性、流动状况等） a 难于直接测定。KYa气相总体积吸收系数 kmol/m3s；KXa液相总体积吸收系数 kmol/m3s。物理意义：推动力为一个单位时，单位时间单位体积吸收的溶质量。2、传质单元高度和传质单

27、元数(1) 传质单元高度aKV Ykmol/skmol/m3sm m2 2= maKVH YOGHOG称气相总传质单元高度HOGZ表示吸收的难易程度。(2) 传质单元数 Y-YdY 12YY*数值（倍数）。认为它代表所需填料层高度Z相当于气相总传质单元高度HOG的倍数。NOG气相总传质单元数。NOGHOG越大（dY大），越难吸收；(3) 填料层高度Z ZHOG NOG 或 ZHOL NOL还可用膜系数与相应推动力表示： ZHG NG ZHL NL(4) HOG、NOG意义填料层高度传质单元高度传质单元数若 NOG1则 ZHOGX2 X11 Y-YdYN 12YY*OG1 )Y-(YdY Y-Y

28、dYN 1212YYm*YY*OG21m*YY)YY （YYaKVH YOG是过程条件决定的。KYa反映传质阻力的大小、填料性能的优劣、润湿性能的好坏等。3、传质单元数的求法1) 图解积分法适用于平衡关系的各种情况。图解步骤：（1）（2）找出若干 （YY*）；（3）计算出1（YY*）；（4）标绘1（YY*）；（5）积分值（计算面积）。*YY1YY2Y112YY*Y-YdY 2) 解析法（1）脱吸因数法：适用于Y*mX+b12YY*OGY-YdYN b)mX-YdY 12YY（）（逆流：22YYLVXX12YY22OGb)Y-(YLVmX-YdYN 12YY22b)(mXYLmV)YLmV1dY

29、 （令SLmV 则：12YY*22OG)Y(SYS)Y1dYN （69)-(2 SY-YY-YS)-ln(1S11N *22*21OG积分并整理：说明： 1、S 为脱吸因素；2、右图1）单对数坐标；2）*22*21Y-YY-Y 吸收程度Y1一定，要求吸收率高（Y2）小，*22*21Y-YY-Y S一定，NOG3）LmV S参数，反应推动力大小。S （Y2一定）NOGZ4）S 20 ，及 S0.75 时使用。（2）对数平均推动力法212121OGYYlnYYYYN 71)-(2 YYYm2171a)-(2 Y-YY-Yln)Y-(Y-)Y-(Y Y YlnYYY*22*11*22*112121mYm对数平均推动力液相：212121XXlnXXXX1*21*12*21*1X-XX-Xln)X-(X-)X-(Xm21OLXXXN当时， 2 YY212YYY21m3）梯级图解法（也称Baker法）适用于：平衡线为直线或弯曲程度不大。OEY2X2TBY1X1T*AS*B*NMFF*S梯级数 = NOG2.3.5 理论板层数的计算(1)理论板nyxy与 x互成平衡。(2) 塔高塔高理论板层数 等板高